Разделение раствора и расплава полимера на струйки

Строительные и отделочные материалы — Химические волокна Гипс

Раздел: Строительные и отделочные материалы

Разделение раствора или расплава полимера на тонкие струйки — первый и самый ответственный шаг в производстве химических волокон. Именно на нём задаются толщина, прочность и равномерность будущей нити. Если струйка получается толще или тоньше задуманного, страдает вся партия. Поэтому формование — это не «продавить полимер через дырку», а точная настройка давления, температуры, вязкости и скорости отвода.

Что такое формование волокна

Полимер сначала переводят в текучее состояние: расплавляют или растворяют. Затем его продавливают через отверстия фильеры и одновременно отводят образовавшуюся струю. По пути струя остывает или теряет растворитель и превращается в волокно.

Толщина текстильных волокон обычно измеряется в микронах и составляет примерно 10–25 мкм. Технические моноволокна могут быть значительно толще — до десятых долей миллиметра и более. Для рыболовных лесок, щетины, сидений и армирующих элементов нужны как раз такие крупные сечения.

Три способа формования

Способ выбирают по свойствам полимера:

• Из расплава. Полимер плавят и продавливают через фильеру, а струя застывает на воздухе. Так делают полиэстер, полиамид, полипропилен. Способ самый экономичный, но подходит не для всех полимеров.
• Из раствора с испарением растворителя. Струя выходит в воздух, растворитель улетучивается, полимер твердеет. Нужна система улавливания паров, иначе производство вредно для людей и окружающей среды.
• Из раствора с осаждением. Струя попадает в ванну с жидкостью, которая не растворяет полимер, и он коагулирует. Так получают вискозу и другие волокна, которые нельзя расплавить.

У каждого способа свои ограничения по скорости и толщине. Чем быстрее отводят нить, тем тоньше она вытягивается, но тем выше риск обрыва.

Что влияет на процесс

Стабильность формования держится на четырёх параметрах: температуре, давлении, вязкости и скорости отвода. Температура меняет текучесть полимера: чуть холоднее — и раствор не продавится, чуть горячее — и струя потеряет форму. Давление определяет расход, но его нельзя поднимать бесконечно: выше предел — фильера деформируется, а струя начинает бить в стороны.

Вязкость зависит не только от рецептуры, но и от влажности сырья и времени хранения. Полимер, который долго лежал во влажном помещении, ведёт себя иначе, чем свежий. Поэтому на производстве контролируют не только состав, но и условия хранения партии.

Скорость отвода задаёт толщину: чем быстрее тянут, тем тоньше волокно. Но у каждой системы есть предел, после которого струя рвётся. Оптимальный режим — всегда компромисс между производительностью и стабильностью.

Фильера: деталь, от которой зависит всё

Фильера — это пластина или колпачок с тонкими отверстиями. Диаметр отверстий — от 0,05 до 0,5 мм для тонких волокон и до 1–2 мм для грубого моноволокна. Количество отверстий определяет, получится одиночная нить или пучок из множества элементарных волокон.

Материал фильеры должен выдерживать давление, температуру и химическую среду. Отверстия выполняют с высокой точностью: даже небольшой дефект кромки меняет форму струи и даёт брак. Поэтому фильеры регулярно чистят и меняют.

Почему струйка не рвётся

На выходе из отверстия струя ещё жидкая и легко разрушается. Чтобы она не оборвалась, подбирают вязкость раствора, давление и скорость отвода. Слишком густой раствор не продавится, слишком жидкий — потечёт и даст капли. Слишком быстрое вытягивание рвёт струю, слишком медленное — даёт толстое волокно.

В реальном производстве параметры подбирают экспериментально для каждой партии сырья. Влажность, температура и состав полимера могут меняться, поэтому оператор постоянно корректирует режим. Даже небольшое изменение концентрации требует новой настройки, иначе струя начнёт утоняться или, наоборот, пойдёт слишком толстой.

Вытягивание и прочность

После формования волокно вытягивают. При вытяжке макромолекулы ориентируются вдоль оси, и прочность заметно растёт. Именно поэтому одна и та же толщина может давать совершенно разные свойства: ориентированное волокно держит нагрузку лучше, чем неориентированное.

Степень вытяжки ограничена: при слишком большом растяжении появляются микротрещины и обрывы. Поэтому технологи ищут баланс между прочностью и стабильностью процесса.

Охлаждение, замасливание и намотка

После формования нить проходит охлаждение, замасливание и намотку. Замасливатель снижает трение, снимает статику и помогает волокну скользить в текстильной переработке. Без него нить путается, рвётся и цепляется за направляющие. Состав замасливателя подбирают под полимер и назначение: для текстиля один, для армирующих материалов другой.

Намотка задаёт натяжение. Слишком слабое — витки сползают, слишком сильное — волокно тянется и теряет эластичность. Поэтому намотку контролируют по толщине и натяжению, а не только по скорости линии. Толщину нити проверяют на выходе линии, а не после намотки: по ней корректируют режим.

Тонкое и толстое волокно

Тонкие текстильные волокна формуют при высокой скорости и малом отверстии, но они чувствительнее к пузырькам и колебаниям температуры. Толстое моноволокно для лески или щетины требует другого баланса: давление выше, охлаждение медленнее, а вытяжка меньше. Один и тот же полимер в разных режимах даёт материалы с разной жёсткостью и прочностью. Для армирующих материалов важнее не толщина, а сцепление с матрицей, поэтому поверхность волокна иногда обрабатывают специальными составами.

Чистота раствора

Чем меньше отверстия, тем чище должен быть раствор или расплав. Твёрдые частицы засоряют фильеру, а пузырьки газа разрывают струю. Поэтому сырьё фильтруют, дегазируют и контролируют по вязкости.

Хорошая фильера работает без замены от десяти до двадцати суток, а отдельные узлы — месяцами. Это не «мелочь»: простой линии из-за засора стоит дороже, чем тщательная подготовка раствора.

Типичные дефекты

• Обрыв струи. Причина — пузырьки, мусор, слишком высокая скорость.
• Неравномерная толщина. Колебания давления или температуры.
• «Шишки» и утолщения. Загрязнение отверстия или неоднородность расплава.
• Слипание волокон. Недостаточное охлаждение или плохая обработка поверхности.
• Повышенная хрупкость. Неправильная вытяжка или перегрев.

Большинство дефектов обнаруживается уже на этапе формования, но причины часто лежат раньше — в подготовке сырья.

Где это нужно в ремонте

Напрямую строитель не формует волокно, но пользуется его результатом. Стекловолокно идёт в армирующие сетки, шпаклёвки, композиты и утеплители. Полимерные волокна добавляют в растворы для снижения усадочных трещин. Геотекстиль, о котором стоит помнить при дренаже, — тоже продукт формования.

Понимание технологии помогает выбирать материал осознанно: волокно с ориентацией прочнее, чем хаотичное; тонкое волокно мягче, но хуже держит нагрузку. А минеральная вата — отдельное семейство неорганических волокон, её получают из расплава горных пород, а не из полимера. Подробнее — в статье минеральная вата.

Частые вопросы

Дальше: химические волокна, минеральная вата, строительные и отделочные материалы.

На главную